杨树新品种‘57×新’与‘沙新杨1号’完整叶绿体基因组解析及其系统发育与适应性进化研究

本研究首次报道了杨树优良杂交品种‘57×新’（Populus deltoides CL ‘57’ × Populus alba var. Pyramidalis）与‘沙新杨1号’（Populus ‘Shaxinyang 1’）的完整叶绿体基因组（cpDNA），通过Illumina测序与生物信息学分析揭示其结构特征、变异模式与系统进化地位，为杨树种质资源创新与抗逆育种提供重要分子基础。

　　

Abstract

‘57×新’（57?×?Xin）与‘沙新杨1号’（SX1）是具备优异抗虫性与环境适应性的杨树新品种。本研究完成其叶绿体基因组测序与组装，结果显示57?×?Xin叶绿体基因组全长为157144 bp，包含两个27657 bp的反向重复区（IR）、85127 bp的大单拷贝区（LSC）和16703 bp的小单拷贝区（SSC）；SX1叶绿体基因组全长为157084 bp，IR区为27649 bp，LSC区为85223 bp，SSC区为16563 bp。系统发育分析表明二者均属于黑杨组（Aigeiros group）。

Introduction

杨属（Populus）植物可分为五大类群，其中白杨组（Leuce）与黑杨组（Aigeiros）为重要栽培类群。57?×?Xin与SX1均以白杨组为父本、黑杨组为母本杂交选育而成。叶绿体基因组在植物光合作用与遗传进化中具有关键作用，其保守性与中等进化速率使之成为系统发育研究的理想材料。本研究旨在解析两个新品种的叶绿体基因组特征，明确其进化地位与适应性机制。

Materials and methods

实验材料采集自中国林业科学院沙漠林业实验中心（106°32′E, 40°01′N）。取嫩枝于河北大学实验室进行扦插培养，叶片样本保存于植物-昆虫互作生态实验室（编号HBSK402-57X与HBSK402-SX1）。使用通用柱式DNA提取试剂盒提取DNA，经Illumina NovaSeq-6000平台测序，通过SPAdes、CPStools和Geneious进行基因组组装与注释。系统发育树构建采用MAFFT、Gblocks、IQ-tree及FigTree，变异分析使用VISTAtools与CPGview。

Results

57?×?Xin叶绿体基因组共注释130个基因，包括86个蛋白编码基因、36个tRNA基因和8个rRNA基因；SX1注释123个基因，含87个蛋白编码基因、31个tRNA基因和8个rRNA基因。基因组结构显示高度保守性，IR区变异较低，LSC与SSC区存在高变区域。覆盖深度分析表明57?×?Xin与SX1最大覆盖深度分别为10919×与9402×。系统发育树基于20个杨柳科物种叶绿体基因组构建，明确57?×?Xin与SX1归属于黑杨组，且与Populus fremontii亲缘关系最近。密码子使用偏好性（RSCU）、核酸多样性（pi值）及tRNA二级结构等分析进一步揭示其遗传特性。

Discussion and conclusions

57?×?Xin与SX1作为白杨组与黑杨组的远缘杂交后代，突破天然杂交障碍，兼具双亲抗寒、耐盐与高存活率特性，成为三北防护林与盐碱地改良的核心材料。其叶绿体基因组结构保守且功能关键基因（如rrn16S、rrn23S等）高度稳定，非编码区与高变区域则为适应性进化提供遗传基础。本研究为杨树遗传育种与生态适应性研究提供重要基因组资源与理论依据。

Ethical approval

本研究不涉及伦理冲突与濒危物种保护，采样符合当地法律法规。

Data availability statement

基因组数据已保存于NCBI GenBank（57?×?Xin: PV241163；SX1: PV241164），BioProject编号分别为PRJNA1238548与PRJNA1238541。